JPH031807B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は高エネルギー物理の粒子検出用等に用
いられる間接冷却方式の超電導電磁石コイルに関
する。

〔従来技術とその問題点〕

この種の超電導電磁石コイルは直径および長さ
がそれぞれ数メートルにおよぶものがあり、一般
に外周側に液化ヘリウム等の冷却媒体を通す冷却
管を固着した筒状の冷却体と、この冷却体の内周
面に密接して巻回された単層の内巻き超電導コイ
ルとからなる間接冷却方式の電磁石コイルが用い
られており、冷却体とコイルとを電気的に絶縁す
るとともに大電流を導くコイルを機械的に強化す
るために、コイルと冷却体との間に接着樹脂を含
んだ絶縁層を介在させて両者を固着し一体化する
よう構成される。したがつてコイルの冷却は前記
絶縁層を介して行われることになるので、絶縁層
には高度な絶縁性能と接着強度が求められると同
時に、良好な熱伝導性と厳しい冷却サイクルに対
しても前記性能が低下しない耐極低温性および耐
ヒートサイクル性とが求められる。

第１図は内巻き超電導電磁石コイルの概略断面
図である。図において、２はアルミニウム、銅等
の熱良導体からなる円筒状の冷却体で、外周面側
には冷却管５が溶接されている。３は冷却体２の
内周面に披着された接着樹脂を含んだ絶縁層、４
は内巻き超電導コイルで、アルミニウム、銅等の
保護導体によつて方形断面に形成され絶縁被覆さ
れた超電導線を円筒の接線方向に力を加えつつ絶
縁層３に密接巻回されている。このように形成さ
れた超電導電磁コイル１には、図示しない軸方向
加圧装置および半径方向加圧装置によつて、図に
矢印で示す分布荷重が加えられた状態で所定温度
の加熱硬化炉に搬入され、絶縁層に披着された接
着樹脂が加熱硬化されることにより、冷却体２と
内巻き超電導コイル４とが絶縁層３を介して強固
に接着されて一体化せしめられる。

上述のように形成された超電導電磁石コイルに
おいて、コイルの直径および長さがそれぞれ数メ
ートルにも及ぶ大形コイルである場合、コイルに
大電流を流すに必要な電圧は数千ボルトになるた
め、超電導コイル４と冷却体２との間の絶縁は上
記電圧に耐えることが求められる。また絶縁物の
破壊電圧は、弱点理論に基づき、絶縁物の面積の
増大に逆比例して低下するので、上述のような大
形コイルにおいては材料として一般に測定される
破壊電圧は数万ボルトであることが求められる。
そこで従来このような電圧に耐える絶縁材料とし
てガラス強化プラスチツク積層板が用いられてい
たが、前記電圧に耐える絶縁層の厚さとしてほぼ
１ミリメートルを必要とするため、たとえば0.5
ミリメートルの厚さの積層板を２層貼り合わせて
用いられていた。ところが、積層板の剛性が高い
ために、筒状の冷却体の内周面の隙き間なく貼り
着けることが困難であり、かつ粘度の高い接着剤
によつて封じ込められた気泡はコイルを介して押
圧力を加えても追い出すことが困難で、このよう
にして形成された絶縁層の熱電導特性は、厚い絶
縁層の熱抵抗と空隙の熱抵抗とが直列に介在する
ことによつて悪くなり、超電導コイル４を絶対温
度の零度近くの所定温度まで間接冷却することが
困難になるという問題があつた。また積層板相互
の突き合わせ部分に空隙が残り、この部分の絶縁
強度が低いために、異なる層の突き合わせ部を相
互にずらせて積層したとしても、耐電圧値がほぼ
半分に低下してしまうという欠点があつた。

一方ポリイミドフイルム等の絶縁フイルムを用
いて絶縁層を形成したものも知られている。ポリ
イミドフイルムは電気絶縁性にすぐれ、またすぐ
れた耐熱性、耐寒性をもち、ガラス強化プラスチ
ツク積層板に比べて薄く柔らかいので、筒状の冷
却体の内周面に密着した絶縁層を比較的容易に形
成することができ、絶縁層の厚さも前記積層板方
式の数分の一でよいために、すぐれた冷却性能が
得られる利点がある。しかしながらポリイミドフ
イルムはエポキシ樹脂などの接着剤との接着性が
悪く、かつ機械的に傷つきやすいので、超電導線
のコイル巻回作業時において絶縁層を損傷した
り、コイルに作用する電磁機械力によつて絶縁層
にはく離を生ずるなどの欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明は前述の状況に鑑みてなされたもので、
絶縁層の厚さが薄く、接着層中に空隙やボイドが
少なく、絶縁性能ならびに熱伝導性がすぐれ、接
着強度が高い絶縁層を備えた間接冷却方式の超電
導磁石コイルを提供することを目的とする。

〔発明の要点〕

本発明は、冷却体面上に、絶縁層を介して超電
導コイルを接着樹脂にて固着せしめた超電導電磁
石コイルにおいて、前記絶縁層を前記冷却体面上
に、粗面加工したポリイミドフイルムとガラス強
化プラスチツクシートとの積層体の少なくとも一
方の面に気泡等を含まない感熱性接着剤層（以下
感熱接着膜という）を披着した複合シートを貼り
合わせて形成した複合絶縁層とすることにより、
前記目的を達成するものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説
明する。

第２図は本発明よりなる複合シートの構造断面
図である。図において、複合シート１１は、サン
ドブラスト法等により粗面加工されたポリイミド
フイルム６とガラス強化プラスチツクシート７と
をたとえばエポキシ樹脂接着層８によつて強固に
接着して複合絶縁シートを形成し、少なくともそ
の一方の表面に感熱接着膜９をたとえば転写法等
により披着したもので、感熱接着膜９の表面には
複合シート使用時には除去される粘着防止シート
１０が粘着されている。このように構成された複
合シート１１の耐電圧を主に保持するポリイミド
フイルムの厚さは0.01〜0.5ミリメートルの範囲
で選択が可能であり、該ポリイミドフイルムの機
械的な保護と絶縁シートの接着性の向上を主な目
的とするガラス強化プラスチツクシートとして
は、薄いガラス布にたとえばエポキシワニスを含
浸し硬化したものが用いられ、その厚さは、ポリ
イミドフイルムよりやや薄いものが適している。
このように構成した複合シートは適度な柔軟性と
高い耐電厚強度ならびに機械的強度を有する。感
熱接着膜は絶縁層を構成する上で特に重要な機能
を有する。すなわち、感熱接着膜９は、たとえば
半硬化エポキシ樹脂からなりこの半硬化の程度
は、常温では適度の粘着力があつてたとえば筒状
の冷却体に貼り着けたときその状態を保持して容
易に剥がれない機能を持ち、かつ適度の軟らかさ
があつてコイルを介して接着剤層に押圧力を加え
たとき、被接着面との間に残存空気を逃がす通路
を形成する機能を持つよう半硬化の状態が決めら
れ、しかも所定温度に加熱された状態では融解し
て流動可能となり、気泡を包含した余分な接着樹
脂が絶縁層の外に流れ出すことにより、加熱硬化
した時点では空隙や気泡を含まない接着層が形成
されるような融解温度特性と硬化温度特性を具備
するものが好ましい。

第３図は本発明の超電導電磁石コイルの絶縁層
を説明するための内巻き超電導電磁石コイルの概
略断面図で、第４図は該超電導電磁石コイルの一
部分拡大図である。図において、筒状冷却体２の
内周面上に、第２図のように構成された複合シー
ト１１を２層貼り合わせて複合絶縁層３０を形成
し、しかる後該複合絶縁層３０と超電導コイル４
とを、複合絶縁層３０または超電導コイル４の表
面に塗布した接着樹脂層１２を介して固着する。

該接着樹脂層１２は加熱硬化樹脂または室温硬
化樹脂のいずれでもよく、さらに前記複合シート
１１における感熱接着膜９の加熱硬化温度は感熱
性接着剤の種類により適宜選択し得るものでよ
い。

前記複合絶縁層３０の構成は、第４図に示すよ
うに、たとえば幅が0.5メートルの複合シート複
数枚を隣接するシートの両端部が互いに重ならな
いよう相互の端部を突き合わせ、第１層の突き合
わせ部１１Ａと第２層の突き合わせ部１１Ｂとが
重ならないようにコイル円筒周方向に位置をずら
せてコイル円筒軸方向に伸びるよう貼着する。複
合絶縁層３０は前述の２層構成に限定されるもの
ではなく、前記突き合わせ部を設けずに、シート
を円周方向複数個所で軸方向に沿つて重ね合わせ
るようにすることもできるし、さらに複合シート
を周方向に螺線状に重ね巻きをすることもでき
る。

また本発明よりなる絶縁層を有する超電導コイ
ルを製造する場合においては、以下の特徴を有す
る。即ち、複合絶縁層３０の表面に適当な粘度の
接着剤を塗布して接着樹脂層１２を形成したの
ち、超電導線に円筒の接線方向に力を加えて複合
絶縁層３０に押圧力が作用するように巻回してコ
イル４を形成する場合には、接着樹脂層１２が粘
性があるため潤滑剤の役割をはたして超電導線を
複合絶縁層３０に、より密着するよう巻回するこ
とができ、またコイル４に軸方向の分布荷重を加
えた場合にも同様に、前記の接着樹脂層の潤滑作
用により複合絶縁層３０を傷つけることなくコイ
ル４の各巻回間に所定の面圧を均等に加えること
ができる利点がある。つぎにコイル４を介して絶
縁層に放射状の押圧力を加えた場合には、接着樹
脂層１２の接着剤はコイルの隙き間を埋めコイル
の強固な固着が可能となる。

半硬化状態の感熱接着膜９（第２図参照）は押
圧力によつて被接着面に徐々に密着し、その際感
熱接着膜９と被接着面との間に介在する残存空気
が追い出されるので、この際シートの突き合わせ
部を前記した第４図のように互いに重ならないよ
うに位置をずらすことにより１１Ａおよび１１Ｂ
に介在しコイルの軸方向にのびる僅かな空隙は残
存空気の通路となり、残存空気を追い出しやすく
することができる。つぎに全体を加熱硬化炉に収
納して徐々に所定温度に加熱した場合には、感熱
接着剤の融解温度に達した時点で感熱接着膜９が
流動し、残存空気を巻き込んだ余分な感熱性接着
剤が突き合わせ部１１Ａ，１１Ｂを介して外部に
流出するとともに、突き合わせ部の隙き間は流動
した感熱性接着剤によつて充填される。したがつ
て接着樹脂が加熱硬化した時点では、得られる絶
縁層中に空隙やボイドなどが少なく、したがつて
絶縁性能や伝熱性能が高く、かつ強固に一体化し
た超電導電磁石コイルを得ることができる。

発明者等の実験的検討によれば、第４図のよう
な構成の厚さ0.5ミリメートルの絶縁膜型を作り、
その破壊電圧を求めた結果70KVという値が得ら
れた。この値はガラス強化プラスチツク積層板を
用いた従来方法の厚さ１ミリメートルの絶縁膜型
について求めた破壊電圧の２倍を越える値であ
り、絶縁層の厚みを従来方法に比べ大幅に縮小で
きることが明らかになつた。なお両者の接着せん
断強度についても比較したが両者の値はほぼ同等
でほぼ３Kg／mm²（常温）であつた。

なお第２図のように構成した複合シートの熱膨
張係数は広い温度範囲においてアルミニウムの熱
膨張係数とほぼ等しいので、冷却体２および超電
導線の保護導体をアルミニウムで構成した場合に
は、冷熱サイクルによつて生ずる熱応力が少な
く、とくに極低温に冷却されても絶縁層の接着強
度を安定に維持することができる。

なお前述の説明は、内巻きの絶縁層を有する超
電導電磁石コイルについてのみ行つたが、外巻き
の絶縁層を有する超電導電磁石コイルにも適用可
能なことは前述の説明から明らかである。さらに
本発明の適用対象は、筒状冷却体の周面上に超電
導コイルを絶縁層を介して固着せしめたいわゆる
ソノレイド形超電導電磁石コイルに限定されるも
のではなく、円筒状の超電導コイルのパンケーキ
形や鞍形超電導電磁石コイルなどにも適用可能で
ある。第５図は前記のパンケーキ形超電導電磁石
コイルの断面図を示すもので、第３図および第４
図と同一部分には同一記号を付して説明を省略す
る。パンケーキ形や鞍形の場合、コイルの巻回作
業は若干異なるものの、前述の説明から本発明の
絶縁層を適用することにより同様の作用効果が得
られる。

〔発明の効果〕

本発明は、冷却体面上に、絶縁層を介して超電
導コイルを接着樹脂にて固着せしめた超電導電磁
石コイルにおいて、絶縁層を粗面加工したポリイ
ミドフイルムとガラス強化プラスチツクシートと
の積層体の少なくとも一方の面に気泡等を含まな
い感熱接着膜を被着した複合シートを貼り合わせ
て形成した複合絶縁層とした。

その結果、まず複合絶縁層の絶縁強度が高いこ
とによりガラス強化プラスチツク積層板を用いた
従来の絶縁層に比べて絶縁層の厚みを数分の一に
縮小でき、絶縁性能と冷却性能を向上できる。ま
た本発明の超電導コイルの絶縁層を形成する場合
においても複合シート上の感熱接着膜の常温にお
ける粘着力および軟らかさならびに高温における
融解温度を適当に選択することにより、冷却体へ
の粘着作業が容易になつて作業を省力化できると
ともに、残存空気の排出をほぼ完全に行うことが
できる。さらに本発明の絶縁層の複合シートの構
成として傷つきやすいポリイミドフイルムを機械
的強度の高いガラス強化プラスチツクシートで保
護するよう構成するとともに、複合絶縁層と超電
導コイルとの間には接着樹脂層を介在させること
により巻線時および加圧締付時に両者間の滑りを
よくすることが可能となり、かつ複合絶縁層の損
傷を防止することができる効果も有する。さらに
また、絶縁層の耐電圧を主にポリイミドフイルム
に期待する構成であるにも拘らず、ガラス強化プ
ラスチツク層が骨材として機能するために、熱膨
張係数がアルミニウムのそれに近く、極低温にお
いても熱応力の発生が少なく、絶縁層の接着強度
を安定して維持することができる。

上述の効果を総合して、絶縁性能、冷却性能、
接着強度、耐極低温性能および耐ヒートサイクル
性能がすぐれ、絶縁スペースが少なくてすむ超電
導電磁石コイルを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は内巻き超電導電磁石コイルの概略断面
図、第２図は本発明において用いられる複合シー
トの断面図、第３図は本発明の絶縁層を説明する
超電導電磁石コイルの平面図、第４図は第３図の
一部分拡大断面図、第５図は本発明の異なる適用
対象であるパンケーキ形超電導電磁石コイルの断
面図である。 １：超電導電磁石コイル、２：冷却体、３：絶
縁層、４：超電導コイル、５：冷却管、６：ポリ
イミドフイルム層、７：ガラス強化プラスチツク
層、８：接着層、９：感熱接着膜、１１：複合シ
ート、１２：接着樹脂層、１１Ａ，１１Ｂ：突き
合わせ部、３０：複合絶縁層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 冷却体面上に、絶縁層を介して超電導コイル
   を接着樹脂にて固着せしめた超電導電磁石コイル
   において、前記絶縁層をポリイミドフイルムとガ
   ラス強化プラスチツクシートとの積層体の少なく
   とも一方の表面に感熱接着膜を被着した複合シー
   トを貼り合わせて形成した複合絶縁層とすること
   を特徴とする超電導電磁石コイル。